如何將越來越多的天線塞進(jìn)越來越小的移動設(shè)備？這個問題困擾了設(shè)計師數(shù)十年。人們總認(rèn)為，答案很簡單：用更小的天線或?qū)⑻炀€更緊密地排布就能解決問題。殊不知，天線的尺寸和位置都有基本的限制。天線以電磁波的形式向多個方向發(fā)射能量。單獨一根天線，一切都很好。如增加一根天線，第二根天線就會淹沒在第一根天線發(fā)射出的強大信號之中，降低其接收微弱信號的能力。

兩根天線，情況已經(jīng)很糟了。但目前，一臺普通智能設(shè)備可配備多根天線，包括一兩根Wi-Fi天線，一根藍(lán)牙天線，一根GPS天線，兩根或四根4G LTE蜂窩通信天線。

LTE天線多重性是規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，這是為了避免手機掉線，比方說，在通話時用手遮擋了一根天線，就會產(chǎn)生干擾。同一通信鏈路擁有多個天線可使手機運營商合并多個數(shù)據(jù)流，提升數(shù)據(jù)傳輸速率。不久的將來，5G通信還會增加這種合并的復(fù)雜性。手機的可用頻帶將擴展至6千兆赫（GHz），現(xiàn)有天線的任務(wù)會更艱巨，同時要求天線運行在28 GHz和37 GHz頻段。

設(shè)備設(shè)計師必須假設(shè)同一個組件中的所有天線同時工作。確實如此，設(shè)備常常在通過Wi-Fi或蜂窩網(wǎng)絡(luò)播放流媒體視頻的同時運行使用GPS和藍(lán)牙的App。芯片集制造商一直致力于功能合并，如使Wi-Fi和藍(lán)牙共用一個天線。設(shè)計兩個協(xié)同合作的系統(tǒng)是有益的，但這只能解決問題的皮毛。

所以現(xiàn)在的問題是，在一個狹小的物理空間內(nèi)，多根天線要互不干擾地同時工作。設(shè)計人員曾試圖通過減小天線的尺寸、增強天線的方向性來解決這一問題。他們還曾尋求更有效的天線隔離方法，但棘手的是可用空間太小。

唯一合理的方案是采用新的天線設(shè)計方法。不是制造單個天線，讓設(shè)計師選擇放置位置，而是設(shè)計一套可作為一個系統(tǒng)共同工作的天線組合，然后將該系統(tǒng)作為一個整體單元安裝到移動設(shè)備中。

在深入討論此方法前，我們應(yīng)當(dāng)回顧一些天線基礎(chǔ)知識。天線就是一個換能器，多為銅制，在接收信號時獲取發(fā)送過來的能量，并將信號傳送給無線電芯片組。芯片組接收此模擬信號并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，供設(shè)備主處理器使用。信號發(fā)射過程與此相反。

天線又如音叉，僅在自然共振的頻率上能有效獲取能量。通常，天線的共振頻率取決于物理尺寸，但也可以在不改變尺寸的情況下，通過增加電子元件“調(diào)整”天線的共振頻率。為了將天線排布在一個小空間，設(shè)計師要將它們扭成各式形狀。但是，天線的形狀和天線之間的距離是有物理限制的。

最初，移動電話只有一個天線，用于接收和傳輸蜂窩信號。那時，從手持部位伸出的天線是可識別的，有的是可伸縮折疊的，有的就是一個隆起的凸塊。在很大程度上，當(dāng)時這是一個美學(xué)設(shè)計。但它確實給天線設(shè)計師很多空間來進(jìn)行優(yōu)化，獲得最佳的信號接收效果。

今天時尚的設(shè)備已經(jīng)放棄了這種樣式，即使保留這種樣式也無濟于事。層出不窮的手機功能迫使天線數(shù)量成倍增加，這些天線擠在一起是不能工作的，相互干擾將破壞其功能。

齊聚一-體:筆記本電腦使用的傳統(tǒng)天線是沿著設(shè)備邊緣分布，以減少信號阻塞，盡可能增大間隔，減少彼此間干擾。現(xiàn)在，所有天線組合在一起作為一個三維組件，可緊湊地排布在筆記本電腦鉸鏈轉(zhuǎn)軸處，此處有利于接收信號，且互不干擾。

當(dāng)下，設(shè)計人員將不同的天線排布在手機四周的不同位置，通常是手機殼邊緣和后部，減少天線的彼此干擾，但很難避免用戶手遮信號。還記得iPhone 4的問題嗎？只要用戶改變手持手機的位置，就會造成這款手機信號的減弱，讓人大為惱火。這件事引發(fā)了使用多根同頻天線的熱潮，這些天線通常在手機底部和頂部以及左上角和右下角成對排布。

時代在發(fā)展，移動設(shè)備越來越纖巧，功能越來越多，這要歸功于摩爾定律對其中多數(shù)電子器件的影響。但摩爾定律對天線沒有幫助。天線設(shè)計是模擬電子技術(shù)最后的堡壘。通過巧妙的工程設(shè)計發(fā)現(xiàn)傳導(dǎo)材料的新形狀，或以不同組合配對傳導(dǎo)材料，可以保持天線的共振頻率，體積上也可做得更小，但往往無法做到低成本和高性能。有時甚至?xí)剐阅芙档偷讲荒苷Ｊ褂玫牡夭健Ｓ腥嗽鴱膩喼拶徺I過一臺早期的智能手機，發(fā)現(xiàn)打開Wi-Fi后無法使用GPS。

將一大把天線塞入小小的手機遇到了困難，筆記本電腦也面臨同樣的窘境。表面看來，筆記本電腦制造者有更多的空間來排布天線，但他們越來越多地使用金屬和碳纖維做設(shè)備外殼。這些材質(zhì)耐用且美觀，但其導(dǎo)電性或吸收性會阻擋無線電信號。因此，天線往往排布于顯示屏的鉸鏈軸或塑料邊框內(nèi)。可用空間越來越狹小。

巴塞羅那的Fractus公司正試圖解決這一問題。該公司研制出邊長僅有幾毫米的微小天線，F(xiàn)ractus公司稱之為“隱形”天線，可在窄帶（如單一Wi-Fi頻道）較好地工作。

另一種方法是使用多個定向天線，動態(tài)選擇接收指定頻率信號效果最佳的天線。通常此項技術(shù)用于Wi-Fi路由器卓有成效。但它在較小的空間內(nèi)效果欠佳，因為無法選擇天線的形狀與位置，所以通常不用于小型移動設(shè)備。

將天線排布到狹小空間而不受干擾的一種更加傳統(tǒng)的方式是“極化”。這個概念與偏光太陽鏡的原理類似。偏光太陽鏡涂膜中的分子排列整齊，只允許特定方向的光通過，可以減少眩光。在最簡單的情況下，垂直放置天線發(fā)送的極化無線電波與水平放置天線成直角，當(dāng)兩個不同方向的天線同時發(fā)射電波時，相互干擾的程度要比同一方向上的天線小得多。同樣，每個天線都可以更好地接收到微弱的遠(yuǎn)距離信號。遺憾的是，設(shè)計人員發(fā)現(xiàn)，由于當(dāng)前產(chǎn)品的物理局限，該技術(shù)的實施頗具挑戰(zhàn)性，特別是在多于兩個信號的情況下。

我們位于英國伯明翰的智能天線技術(shù)公司（Smart Antenna Technologies）采取了不同的方式。我們承認(rèn)天線擠在一起發(fā)射射頻信號，會彼此干擾，我們認(rèn)為專注于設(shè)計一根完美的天線是無意義的。

為了防止天線互相干擾，我們能做的就是使用標(biāo)準(zhǔn)極化技術(shù)，同時我們改變天線的三維物理形狀，使天線具有方向性，而且天線的方向彼此相反。

為讓天線更易于撇開外來無關(guān)信號，我們嘗試以非傳統(tǒng)的方式使用濾波器。通常，天線使用的濾波器為帶通濾波器，僅允許指定頻帶的信號通過。目前，此類濾波多為數(shù)字濾波。數(shù)字帶通濾波器的問題是要在模擬信號到達(dá)接收器并轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字流后才可使用。這就太遲了，無法避免無線電工程師所稱的“靈敏度劣化”問題：如果需阻隔的帶外信號擁有足夠的能量，那么在大功率信號存在時以及其后的一段時間內(nèi)，接收器將無法檢測到較弱的信號；能量差異可能極大——比如，無用信號為1瓦，而目標(biāo)信號為3毫瓦。

將多根天線裝入常見物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的狹小空間，這種挑戰(zhàn)令人生畏。我們采用完全相反的方法。我們已知周圍天線發(fā)射的頻率，因此用模擬濾波器搜尋特定的頻率，并將這些信號短路接地，耗散它們的能量，同時指定的信號可無干擾地通過接收器。我們使用的也是標(biāo)準(zhǔn)的模擬設(shè)計技術(shù)。例如，在指定頻率點，用信號匹配識別傳輸信號。此方法的關(guān)鍵在于前端濾波（屬于模擬技術(shù)），并在信號到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)接收器和模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器之前，動態(tài)地轉(zhuǎn)變信號。

應(yīng)用所有這些技術(shù)，我們可以在幾厘米的空間內(nèi)緊密地排布天線。但要將它們?nèi)亢侠淼胤胖迷谌S空間中并實現(xiàn)協(xié)調(diào)工作，這并非易事。我們不能將這一步留給設(shè)備設(shè)計人員或制造商來解決，因此也不是在制造單個組件，而是移動設(shè)備所需的一整套天線。這套天線集成在一個0.44毫米厚的柔性印制電路板上，柔性設(shè)計降低了制造成本。?我們可先在二維空間加工，然后再轉(zhuǎn)為三維封裝——制作一個塑料模型，再用柔性電路板將它裹起來。

其中一種模型呈細(xì)長形，橫截面是三角形。我們的電路板沿三角形的頂點環(huán)繞折疊。一些天線呈L型，一些呈矩形，還有一些根據(jù)特定設(shè)備的內(nèi)部空間定制。

對于超高性能的天線，我們使用更精準(zhǔn)的制造方法——激光直接成型。用這種方法，我們能夠創(chuàng)造出更復(fù)雜的塑性模型，并直接在其結(jié)構(gòu)上構(gòu)建天線。這一技術(shù)先是注塑成型一個部件，該部件由摻雜絕緣金屬的塑料制成。然后用激光在塑料上繪出電路圖形。金屬添加劑使激光照射過的區(qū)域變粗糙。對材料進(jìn)行無電極電鍍時，粗糙區(qū)域?qū)畛溷~或其他導(dǎo)電金屬。

由于人們對移動設(shè)備天線的要求只會越來越高，我們認(rèn)為這種天線設(shè)計方法是未來天線發(fā)展的方向。

數(shù)據(jù)傳輸速度將會提升。當(dāng)前的4G技術(shù)通常能夠達(dá)到每秒100兆字節(jié)（MB），而5G預(yù)計將達(dá)到每秒1~10千兆字節(jié)（GB）。這就需要增加帶寬；有人說帶寬將增加到2 GHz。頻率也在提升，5G頻率將是28 GHz和70 GHz。

由于5G所需頻率很高，移動設(shè)備將使用類似天線陣列來獲得相應(yīng)的性能，然后通過相移來調(diào)整信號，將其組合成一個擁有所需強度的信號。考慮到手機還必須具備全套的傳統(tǒng)天線，至少在不久的將來，移動設(shè)備內(nèi)部空間的激烈爭奪將使集成天線成為必需品。

我們公司將使用這些技術(shù)制造的首批商業(yè)天線應(yīng)用在主流制造商的平板電腦和筆記本電腦。

誠然，將天線塞入手機中相當(dāng)棘手。但將多個天線排布到普通物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的狹小空間中更是困難重重。然而，商業(yè)實例表明，這些困難即將被克服。我們拭目以待。

作者：胡振華、David Tanner

編輯：黃飛

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